基于4H-SiC微结构中子探测器的研究

摘要

中子探测技术在国土安全、空间科学、医疗卫生、工业等领域有着广泛的应用前景。目前，应用最广泛的中子探测器为3He正比计数管，作为其探测介质的3He主要来源于核武器项目的3H衰变，随着冷战的结束，3H的储备减小导致3He供应量逐渐下降，同时又由于近年来世界各国对3He气体的需求大幅增加，导致3He面临严重短缺的现象，因此对可替代3He正比计数管的新型中子探测器的研究已成为国际上的热点。微结构半导体中子探测器（MSND）是在平面型半导体中子探测器基础上发展起来的一种新型的中子探测器，其突破了平面型半导体中子探测器探测效率低的瓶颈，同时还具有能量分辨率高、时间响应快、线性范围宽、体积小、工作偏压低等优点，是替代3He中子探测器的发展方向之一。传统半导体材料的MSND在一般环境下表现良好，但在高温、强辐射等恶劣环境下工作时其性能会逐渐变差甚至失效。第三代半导体4H-SiC与传统的半导体材料Si、GaAs等相比，具有禁带宽度大、临界位移能高等优点，可以满足恶劣环境下MSND对材料性能的要求。本文以4H-SiC作为衬底材料，采用蒙特卡洛方法、TCAD软件研究了MSND对热中子的探测性能及其电流脉冲响应特性、电荷收集特性。
　　本研究主要内容包括：⑴总结了MSND对衬底材料及中子转换材料的性能需求，确定了以4H-SiC作为衬底材料、6LiF作为中子转换材料可使MSND具有耐高温、抗辐射、输出信号幅度高、中子伽马甄别能力强等优点。⑵采用FLUKA软件模拟了沟槽型、圆孔型、圆柱型三种微结构的MSND在不同结构参数、不同系统甄别阈（LLD）下对热中子的探测性能，并对比分析了三种微结构的 MSND对热中子探测性能的优劣，确定了在三种微结构 MSND中沟槽型MSND性能最为优异；然后，得到了系统甄别阈为300KeV时三种微结构MSND的最优参数，沟槽型MSND在沟槽宽度20μm、沟槽间距5μm时拥有30.71％的最大探测效率，圆孔型MSND在圆孔直径30μm、圆孔间距5μm时拥有30.11%的最大探测效率，圆柱型MSND在圆柱直径20μm、圆柱间距10μm时拥有25.18%的最大探测效率。⑶采用TCAD软件模拟了4H-SiC沟槽型MSND分别对α粒子、3H粒子的电流脉冲响应特性及电荷收集特性。结果表明，随次级粒子在4H-SiC中沉积能量的增大，MSND电流脉冲高度增高，电荷收集时间变长。当次级粒子入射到灵敏区内时，MSND电流脉冲高度较高，电荷收集时间较短且电荷收集率接近100%，随灵敏区内电场强度增大，MSND电流脉冲高度增高，电荷收集时间变短；当次级粒子入射到灵敏区外时，MSND电流脉冲高度很小，随入射位置的变深，MSND电荷收集时间变长、电荷收集率变小。最后，总结了4H-SiC沟槽型MSND制作工艺流程。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容

第二章 中子探测器的理论基础

2.1中子的基本性质及分类

2.2中子探测原理方法

2.3半导体中子探测器

2.4微结构半导体中子探测器

2.5本章小结

第三章 材料的选择

3.1衬底材料的选择

3.2中子转换材料的选择

3.3本章小结

第四章 MSND探测性能的蒙特卡洛模拟

4.1 MSND微结构形式及结构参数的设定

4.2蒙特卡洛模拟结果及分析

4.3本章小结

第五章 MSND电流脉冲响应特性及电荷收集特性的模拟

5.1次级粒子在MSND中的输运过程

5.2 MSND仿真物理模型

5.3 MSND电流脉冲响应特性模拟结果与分析

5.4 MSND电荷收集特性模拟结果与分析

5.5 MSND制作方案

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1论文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

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